光学式、磁式和电容式三种编码器对比
编码器在运动控制类产品中比较常见，旋转编码器都是组成运动控制反馈回路的关键元器件，包括工业自动化设备和过程控制、机器人技术、医疗设备、能源、航空航天等。
作为将机械运动转换为电信号的器件，编码器可为工程师提供位置、速度、距离和方向等基本数据，用以优化整个系统的性能。
光学式、磁式和电容式是可供工程师使用的三种主要编码器技术。不过，要确定哪种技术最适合最终应用，还需要考虑一些因素。 本文将概述光学式、磁式和电容式三种编码器技术，并且略述各种技术的利弊权衡。 1 光电编码器 多年来，光学编码器一直都是运动控制应用市场的热门选择。它由 led 光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘两侧。 码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时，led 光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波 a 和 b 正交脉冲，可用于确定轴的旋转和速度。
图 1：光学编码器的典型 a 和 b 正交脉冲，包括索引脉冲（图片来源：cui devices）
尽管光学编码器应用广泛，但仍有几点缺陷，在工业应用等多尘且肮脏的环境中，污染物会堆积在码盘上，从而阻碍 led 光透射到光学传感器。 由于受污染的码盘可能会导致方波不连续或完全丢失，因而极大地影响了光学编码器的可靠性和精度。 led 的使用寿命有限，最终总会烧坏，从而导致编码器故障。此外，玻璃或塑料码盘容易因振动或极端温度而损坏，因而限制了光学编码器在恶劣环境应用中的适用范围；将其组装到电机上不仅耗时，而且受污染的风险更大。 最后，如果光学编码器的分辨率较高，则会消耗 100 ma 以上的电流，进一步影响了它应用于移动设备或电池供电设备。
2 磁性编码器 磁性编码器的结构与光学编码器类似，但它利用的是磁场，而非光束。磁性编码器使用磁性码盘替代带槽光电码盘，磁性码盘上带有间隔排列的磁极，并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转。 码盘的任何转动都会使这些传感器产生响应，而产生的信号将传输至信号调理前端电路以确定轴的位置。 相较于光学编码器，磁性编码器的优势在于更耐用、抗振和抗冲击。而且，在遇到灰尘、污垢和油渍等污染物的情况下，光学编码器的性能会大打折扣，磁性编码器却不受影响，因此非常适合恶劣环境应用。
不过，电机（尤其是步进电机）产生的电磁干扰会对磁性编码器造成极大的影响，并且温度变化也会使其产生位置漂移。 此外，磁性编码器的分辨率和精度相对较低，在这方面远不及光学和电容式编码器。 3 电容式编码器 电容式编码器主要由三部分组成：转子、固定发射器和固定接收器。电容感应使用条状或线状纹路，一极位于固定元件上，另一极位于活动元件上，以构成可变电容器，并配置成一对接收器/发射器。 转子上蚀刻了正弦波纹路，随着电机轴的转动，这种纹路可产生特殊但可预测的信号。随后，该信号经由编码器的板载 asic 转换，以计算轴的位置和旋转方向。
图 2：编码器码盘的比较（图片来源：cui devices）
4 对比优缺点 电容式编码器的工作原理与数字游标卡尺相同，因此它所提供的解决方案克服了光学和磁性编码器的许多缺点。 事实证明，cui devices 的 amt 编码器系列所采用的这种基于电容的技术具有高可靠性、高精度的特性。 由于无需 led 或视距，即使遇到会对光学编码器产生不利影响的环境污染物（如灰尘、污垢和油渍），电容式编码器也能达到预期的效果。 此外，相比光学编码器使用的玻璃码盘，它更不容易受到振动和极高/极低温度的影响。 如前所述，因为电容式编码器不存在 led 烧坏的情况，所以使用寿命往往比光学编码器长。 因此，电容式编码器的封装尺寸更小，在整个分辨率范围内电流消耗更小，只有 6 至 18 ma，这就使它更适合电池供电应用。 鉴于电容式技术的稳健性、精度和分辨率均比磁性编码器高，因而后者所面临的电磁干扰和电气噪声对它的影响并不大。
此外，在灵活性和可编程性方面，电容式编码器的数字特性也能带来关键优势。因为光学或磁性编码器的分辨率是由编码器码盘决定，所以需要其他分辨率时，每次都要使用新的编码器，以致于设计和制造过程的时间和成本均会有所增加。 然而，电容式编码器具有一系列可编程的分辨率，为设计人员免去了每次需要新的分辨率时就要更换编码器的麻烦，这不仅减少了库存，而且简化了 pid 控制回路的微调和系统优化。 涉及 bldc 电机换向时，电容式编码器允许数字对准和索引脉冲设置，而这项任务对于光学编码器而言可能既反复、又耗时。 内置的诊断功能使设计人员可以进一步访问系统数据，用以优化系统或现场排除故障。
图 3：电容式、光学式和磁式技术的关键性能指标比较（图片来源：cui devices） 5 如何选择？ 在许多运动控制应用中，温度、振动和环境污染物都是编码器必须应对的重要挑战因素。事实证明，电容式编码器可以+克服这些挑战。 与光学式或磁式技术相比，它可为设计人员提供可靠、精准且灵活的解决方案。 此外，电容式编码器还增加了可编程性和诊断功能，这种数字特性使其更适合现代物联网 (iot) 和工业物联网 (iiot) 应用。
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图 2：编码器码盘的比较（图片来源：cui devices）
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